TW201403034A - 光感應式感測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種光感應式感測裝置。該光感應式感測裝置適用於環境光感測操作、近接感測操作、物件位置感測操作以及手勢辨識感測操作。該光感應式感測裝置包含可見光感測器、紅外光感測器、n個紅外線發光二極體、複數個紅外線發光二極體驅動器以及控制電路。該複數個紅外線發光二極體驅動器用以驅動該n個紅外線發光二極體，其中n為正整數。該控制電路用以控制該可見光感測器、該紅外光感測器以及該複數個紅外線發光二極體驅動器的操作，以執行相對應的感測操作。該光感應式感測裝置可以是光感應式感測器、感測積體電路或感測模組。

Description

光感應式感測裝置

本發明係關於光感應式感測器設計，尤指一種具有光偵測電路的光感應式感測器設計，其係應用於環境光感測、近接感測、物件偵測以及手勢辨識。本發明亦可應用於一主機裝置，其中該主機裝置係採用上述感測器設計來實現一種或多種應用功能，其包含環境光感測、近接感測、物件偵測及/或手勢辨識功能。

光感應技術(light sensing technology)係廣泛使用於許多應用之中，舉例來說，環境光感測器(ambient light sensor，ALS)可應用於筆記型電腦(laptop personal computer，laptop PC)及行動電話(cell phone)以感測環境光的強度，並且自動調整液晶顯示螢幕(liquid crystal display screen，LCD screen)的背光源(backlight)以延長電池壽命。光感測器亦可用於量測空間中的距離或位置，舉例來說，行動裝置(mobile device)通常會包含近接感測器(proximity sensor)，一般來說，近接感測器可經由不同的實作方式來實現，例如，電感式感測器(inductive sensor)、電容式感測器(capacitive sensor)、磁感測器(magnetic sensor)以及光電感測器(photoelectric sensor)，其中光感應式的光電感測器係已日益普及。另外，光感應技術的其他重要應用(例如，物件偵測(object presence detection)以及手勢辨識(gesture recognition))亦是大眾矚目的焦點。

然而，由於智慧型裝置(smart device)已相當普遍，故智慧型裝置之中的感測器個數也越來越多以便提供更豐富的人機互動(human device interaction)操控，因此，亟需具有多功能之光感測器以供行動裝置與智慧型裝置之用。

有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種具有光偵測電路之光感應式感測器設計，以實現環境光感測、近接感測、物件偵測以及手勢辨識功能。

為了實現上述目的，本發明係提供一種光感應式感測裝置，其包含有一可見光二極體(visible light photodiode)、一紅外光二極體(infrared photodiode，IR photodiode)、一放大器(amplifier)、一自動增益控制(auto-gain control，AGC)電路、一類比數位轉換器(analog-to-digital converter，ADC)、一數位濾波器(digital filter)、一多工器(multiplexer)、一時序控制器(timing controller)、一溫度感測器(temperature sensor)、一參考電壓產生電路(voltage reference)、一振盪器(oscillator)、用來驅動n個紅外線發光二極體(infrared light emitting diode，IR LED)的一紅外線發光二極體驅動器(IR LED driver)、一控制暫存器(control register)、一資料暫存器(data register)、一內部整合電路介面(inter-integrated circuit interface，I2C interface)以及一中斷介面(interrupt interface)。該可見光二極體與該紅外光二極體均會將光子轉換為電子，而電子接著會經由該放大器轉換為電壓。該時序控制器係用以設定由該放大器所啟動的積分時間。該放大器係利用將部份的回授電容(feedback capacitor)短路來提供可程式化增益(programmable gain)。該類比數位轉換器將放大後之類比訊號轉換為一數位計數輸出(digital count out)。該數位計數輸出接著會被傳送至該數位濾波器以計算出與環境光強度(例如，以勒克斯(Lux)為單位之照度)、距離或手勢相關之訊號。該數位濾波器係用以接收該類比數位轉換器之輸出，並據以輸出至該多工器。該多工器係用以接收 該類比數位轉換器與該數位濾波器之輸出，並據以輸出至該資料暫存器。該溫度感測器係用以感測溫度並將感測的結果輸出至該數位濾波器與該多工器。該紅外線發光二極體驅動器係用以驅動該n個紅外線發光二極體。該控制暫存器係用以設定該時序控制器。該資料暫存器係用以接收該多工器之輸出。該內部整合電路介面係連接於序列時脈線(serial clock line，SCL)以及序列資料線(serial data line，SDA)。該中斷介面係將訊號輸出至中斷匯流排(interrupt bus，INTB)。上述之序列時脈線、序列資料線以及中斷匯流排係均連接於外部的主機裝置(host)。

100‧‧‧光感應式感測裝置

101‧‧‧可見光感測器

102‧‧‧紅外光感測器

103‧‧‧放大器

104‧‧‧自動增益控制電路

105‧‧‧類比數位轉換器

106‧‧‧數位濾波器

107‧‧‧多工器

108‧‧‧時序控制器

109‧‧‧溫度感測器

110‧‧‧參考電壓產生電路

111‧‧‧振盪器

112‧‧‧紅外線發光二極體驅動器

113‧‧‧控制暫存器

114‧‧‧資料暫存器

115‧‧‧內部整合電路介面

116‧‧‧中斷介面

IR_LED1、IR_LEDn‧‧‧紅外線發光二極體

VDD、GND‧‧‧電壓端

SCL‧‧‧序列時脈線

SDA‧‧‧序列資料線

INTB‧‧‧中斷匯流排

第1圖為本發明光感應式感測裝置之一實施例的示意圖。

第2圖為本發明光感應式感測裝置之操作方法之一實施例的流程圖。

第3圖為本發明光感應式感測裝置之環境光感測操作的方法之一實施例的流程圖。

第4圖為本發明光感應式感測裝置之近接感測操作的方法之一實施例的流程圖。

第5圖為本發明光感應式感測裝置之物件位置感測操作/手勢辨識感測操作的方法之一實施例的流程圖。

請參閱第1圖，其係為本發明光感應式感測裝置之一實施例的示意圖。由第1圖可知，光感應式感測裝置100包含一可見光感測器(visible light sensor)101(例如，一可見光二極體)、一紅外光感測器(infrared photodiode sensor，IR sensor)102(例如，一紅外光二極體)、一放大器103、一自動增益控制電路104、一類比數位轉換器105、一數位濾波器106、一多工器107、一時序控制器108、一溫度感測器109、一參考電壓產生電路110、一振盪器 111、用來驅動n個紅外線發光二極體(標示為IR_LED1~IR_LEDn)的一紅外線發光二極體驅動器112、一控制暫存器113、一資料暫存器114、一內部整合電路介面115以及一中斷介面116。另外，電壓端VDD以及電壓端GND可提供上述電路元件所需之電壓。

可見光感測器101與紅外光感測器102所產生之訊號均會輸入至 放大器103，其中時序控制器108與自動增益控制電路104可作為放大器103之增益選擇器(gain selector)。自動增益控制電路104之輸入係連接於類比數位轉換器105之輸出，以及自動增益控制電路104之輸出係連接於放大器103。類比數位轉換器105係接收放大器103與時序控制器108之輸出，並據以輸出至數位濾波器106與多工器107。數位濾波器106係用以接收時序控制器108與類比數位轉換器105之輸出，並據以輸出至多工器107。多工器107係用以接收類比數位轉換器105與數位濾波器106之輸出，並據以輸出至資料暫存器114。時序控制器108係接收控制暫存器113之輸出，並據以輸出至放大器103、自動增益控制電路104、類比數位轉換器105以及數位濾波器106。溫度感測器109係用以感測溫度並將感測的結果輸出至數位濾波器106與多工器107。紅外線發光二極體驅動器112係用以驅動該n個紅外線發光二極體(標示為IR_LED1~IR_LEDn)。控制暫存器113係用以設定時序控制器108。114資料暫存器係用以接收多工器107之輸出。內部整合電路介面115係連接於序列時脈線(serial clock line)SCL以及序列資料線(serial data line)SDA。中斷介面116係將訊號輸出至中斷匯流排(interrupt bus)INTB。上述之序列時脈線SCL、序列資料線SDA以及中斷匯流排INTB均連接於一主機裝置(未顯示於第1圖)(例如，一個人電腦(personal computer，PC)或一行動裝置)，以提供該主機裝置進一步利用本發明所提供之光感應式感測裝置的偵測/辨識結果，或提供該主機裝置顯示本發明所提供之光感應式感測裝置的偵測/辨識結果。

上述各電路元件的功能係說明如下。可見光感測器101係用以接 收環境中的可見光，以及紅外光感測器102係用以接收自複數個紅外線發光二極體IR_LED1~IR_LEDn發射且經由一物件反射的紅外光。值得注意的是，紅外光感測器102係對應於像素(pixel)0，而可見光感測器101係對應於像素1。放大器103係將所感測之光線轉換為類比訊號，接著再透過增益選擇來放大所轉換之類比訊號。自動增益控制電路104係根據所感測之光線的照度(luminance)來調整放大器103之積分時間及增益，並據以做為感測操作的設定。於此實施例中，光感應式感測裝置100至少包含一類比數位轉換器(例如，類比數位轉換器105)以將類比訊號轉換為數位訊號，此外，所轉換之數位訊號可分別被傳送至數位濾波器106(進行濾波處理)與多工器107。多工器107可直接選取經濾波處理之訊號(數位濾波器106的輸出)或未經濾波處理之訊號(類比數位轉換器105的輸出)兩者的其中之一，並將所選取之訊號輸出至資料暫存器114以儲存之。時序控制器108係用以控制整個光感應式感測裝置100中所有的時序序列(timing sequence)。溫度感測器109係用以感測溫度，而參考電壓產生電路110係用以提供一偏壓(bias voltage)予光感應式感測裝置100之中一部分的類比電路。振盪器111係為整個光感應式感測裝置100的時脈訊號源(clock source)。紅外線發光二極體112係用以驅動n個紅外線發光二極體(分別標示為IR_LED1~IR_LEDn)。 控制暫存器113係用以儲存指令集(instruction set)，而資料暫存器114則是用來儲存感測/辨識結果的資料。內部整合電路介面115係用以傳輸並接收來自於一主機裝置(例如，個人電腦或行動裝置)之指令與資料，因此，內部整合電路介面115可分別作為與外部序列時脈線SCL以及序列資料線SDA進行資料傳輸的介面。中斷介面116係用以中斷該主機裝置正在執行的操作，並通知該主機裝置光感應式感測裝置100之操作狀態。另外，光感應式感測裝置100所產生之光感測結果可提供給該主機裝置做進一步的應用，或 顯示於該主機裝置上。

為了分別實現環境光感測操作、近接感測操作、物件位置感測操 作(object position detection sensing，OPDS)以及手勢辨識感測操作(gesture recognition sensing，GRS)，本發明所提供之光感應式感測裝置可提供不同的操作方式。在光感應式感測裝置100用於執行環境光感測操作的情形下，其可採用可見光感測器101以感測環境中可見光的照度。在光感應式感測裝置100用於執行近接感測操作的情形下，其可驅動至少一紅外線發光二極體以發射紅外光，而所發射之紅外光接著會被一物件所反射並由紅外光感測器102所接收，以計算該物件之近接感測結果。在光感應式感測裝置100用於執行物件位置感測操作的情形下，其可驅動排列於一平面(例如，X-Y二維平面(two-dimensional plane))上的n個紅外線發光二極體(例如，複數個紅外線發光二極體IR_LED1~IR_LEDn)相繼地(sequentially)發射紅外光，而相繼發射之紅外光接著會被一物件反射，且由紅外光感測器102於不同的時間點所接收，因此該主機裝置便可利用不同時間點所感測之紅外光來得到該物件於該平面上所對應的位置。相似地，在光感應式感測裝置100用於執行手勢辨識感測操作的情形下，其可驅動排列於一空間(例如，N維空間(N-dimensional space))中的n個紅外線發光二極體(例如，複數個紅外線發光二極體IR_LED1~IR_LEDn)相繼地發射紅外光，而相繼發射之紅外光接著會被一物件反射，且由紅外光感測器102於不同的時間點所接收，因此該主機裝置便可利用不同時間點所感測之紅外光來得到該物件於該空間中所對應的位置，並據以決定該物件之動作(例如，手勢動作)。值得注意的是，由於可見光感測器101係對應於像素1，以及紅外光感測器102係對應於像素0，因此，環境光感測操作會需要一併搭配像素0與像素1，然而，近接感測操作、物件位置感測操作以及手勢辨識感測操作僅需要搭配像素0即可完成操作。進一步的說明如下。

請參閱第2圖，其係為本發明光感應式感測裝置之操作方法之一 實施例的流程圖。於步驟201中，可選擇該光感應式感測裝置之操作模式(例如，一環境光感測模式、一近接感測模式、一物件位置感測模式/手勢辨識感測模式)。於步驟202中，可對一數位濾波器進行設定。於步驟203中，可判斷是否有選取該環境光感測模式，若是，則執行步驟204以進行一環境光感測操作；反之，則執行步驟205以判斷是否有選取該近接感測模式。於步驟205中，若判斷出有選取該近接感測模式，則執行步驟206以進行一近接感測操作；反之，則執行步驟207以進行一物件位置感測操作/手勢辨識感測操作。在根據所選取之感測模式來完成欲執行之該環境光感測操作、該近接感測操作，或該物件位置感測操作/手勢辨識感測操作之後，結束感測操作流程。

請連同第1圖來參閱第3圖。第3圖係為本發明光感應式感測裝 置之環境光感測操作的方法之一實施例的流程圖，其中該方法可應用於第1圖所示之光感應式感測裝置100。於步驟301中，可藉由像素0與像素1來進行光偵測操作。於步驟302中，利用放大器103及/或自動增益控制電路104來放大像素0與像素1所產生之偵測訊號，且所產生之偵測訊號可被轉換為電壓訊號，其中轉換前後的訊號放大係依據積分時間與增益來決定之。於步驟303中，類比數位轉換器105可將像素0之類比訊號(亦即，電壓訊號)轉換為數位訊號，以及將像素1之類比訊號(亦即，電壓訊號)轉換為數位訊號。於步驟304中，可將像素0與像素1所分別對應之資料(亦即，所轉換之數位訊號)輸出至資料暫存器114。於步驟305中，該主機裝置可經由內部整合電路介面115來讀取並顯示資料暫存器114所儲存之資料。

請連同第1圖來參閱第4圖。第4圖係為本發明光感應式感測裝 置之近接感測操作的方法之一實施例的流程圖，其中該方法可應用於第1圖 所示之光感應式感測裝置100。於步驟401中，可選取n個紅外線發光二極體IR_LED1~IR_LEDn之中的至少一紅外線發光二極體，並驅動所選取之紅外線發光二極體同時發射紅外光。於步驟402中，於所選取之紅外線發光二極體處於啟動(on)狀態之下，對像素0進行光偵測操作。於步驟403中，於所選取之紅外線發光二極體處於關閉(off)狀態之下，對像素0進行光偵測操作。於步驟404中，利用放大器103及/或自動增益控制電路104來放大像素0所產生之偵測訊號，且所產生之偵測訊號可被轉換為電壓訊號，其中轉換前後的訊號放大係依據積分時間與增益來決定之。於步驟405中，類比數位轉換器105可將像素0之類比訊號(亦即，電壓訊號)轉換為數位訊號。於步驟406中，可將像素0所對應之資料(亦即，所轉換之數位訊號)輸出至資料暫存器114。於步驟407中，該主機裝置可經由內部整合電路介面115來讀取並顯示資料暫存器114所儲存之資料。

請連同第1圖來參閱第5圖。第5圖係為本發明光感應式感測裝 置之物件位置感測操作/手勢辨識感測操作的方法之一實施例的流程圖，其中該方法可應用於第1圖所示之光感應式感測裝置100。物件位置感測/手勢辨識感測的操作流程係相似於上述之近接感測的操作流程，而兩者之間主要的差別僅在於各紅外線發光二極體係相繼地發射紅外光。由第5圖可知，於步驟501中，可驅動各紅外線發光二極體以相繼地發射紅外光，並針對每一紅外線發光二極體執行以下步驟。

於步驟502中，在所選取之紅外線發光二極體處於啟動狀態之 下，對像素0進行光偵測操作。於步驟503中，在所選取之紅外線發光二極體處於關閉狀態之下，對像素0進行光偵測操作。於步驟504中，利用放大器103及/或自動增益控制電路104來放大像素0所產生之偵測訊號，而所產生之偵測訊號可被轉換為電壓訊號，其中轉換前後的訊號放大係依據積分時 間與增益來決定之。於步驟505中，類比數位轉換器105可將像素0之類比訊號(亦即，電壓訊號)轉換為數位訊號。於步驟506中，可將像素0所對應之資料(亦即，所轉換之數位訊號)輸出至資料暫存器114。於步驟507中，該主機裝置可經由內部整合電路介面115來讀取並顯示資料暫存器114所儲存之資料。於步驟508中，判斷是否所有的紅外線發光二極體均已完成上述操作。若是，則結束感測操作流程；反之，回到步驟502。

值得注意的是，於上述環境光感測、近接感測以及物件位置感測/ 手勢辨識感測之操作流程中，所感測的結果會寫入資料暫存器中，此外，可傳送一中斷指令給主機裝置，以使主機裝置可經由序列資料線來讀取資料暫存器之資料。本發明所提供之光感應式感測裝置另可定義門檻值(threshold)，並且只有在感測結果超過所定義之門檻值時，才會將中斷指令傳送給主機。另外，熟習技藝者應可了解，本發明所提供之感測操作方法可應用於不同的硬體架構，換言之，本發明所提供之光感應式感測裝置可以是感測器、感測積體電路(sensor integrated circuit，sensor IC)或感測模組。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所 做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧光感應式感測裝置

101‧‧‧可見光感測器

102‧‧‧紅外光感測器

103‧‧‧放大器

104‧‧‧自動增益控制電路

105‧‧‧類比數位轉換器

106‧‧‧數位濾波器

107‧‧‧多工器

108‧‧‧時序控制器

109‧‧‧溫度感測器

110‧‧‧參考電壓產生電路

111‧‧‧振盪器

112‧‧‧紅外線發光二極體驅動器

113‧‧‧控制暫存器

114‧‧‧資料暫存器

115‧‧‧內部整合電路介面

116‧‧‧中斷介面

IR_LED1、IR_LEDn‧‧‧紅外線發光二極體

VDD、GND‧‧‧電壓端

SCL‧‧‧序列時脈線

SDA‧‧‧序列資料線

INTB‧‧‧中斷匯流排

Claims (12)

1. 一種光感應式感測裝置，其適用於一環境光感測操作、一近接感測操作、一物件位置感測操作以及一手勢辨識感測操作，該光感應式感測裝置包含：一可見光感測器，具有一第一像素，用以感測光線以產生一第一偵測訊號；一紅外光感測器，具有一第二像素，用以感測光線以產生一第二偵測訊號；n個紅外線發光二極體，其中n為正整數；複數個紅外線發光二極體驅動器，耦接於該n個紅外線發光二極體，用以驅動n個紅外線發光二極體；以及一控制電路，耦接於該可見光感測器、該紅外光感測器以及該紅外線發光二極體驅動器，其中該控制電路係用以控制該可見光感測器、該紅外光感測器以及該複數個紅外線發光二極體驅動器的操作，以執行一感測操作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光感應式感測裝置，其中該紅外光感測器所感測的光線係包含由該n個紅外線發光二極體所發射之光線被反射後的紅外光。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光感應式感測裝置，其中在該光感應式感測裝置應用於該環境光感測操作的情形下，該控制電路會控制該複數個紅外線發光二極體驅動器關閉該n個紅外線發光二極體，以及該控制電路會致能該可見光感測器與該紅外光感測器以藉由該第一像素與該第二像素來進行該環境光感測操作。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光感應式感測裝置，其中在該光感應式感測裝置應用於該近接感測操作、該物件位置感測操作以及該手勢辨識感測操 作其中之一感測操作的情形下，該控制電路只會致能該紅外光感測器以藉由該第二像素來進行該感測操作。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光感應式感測裝置，其中在該光感應式感測裝置應用於該近接感測操作的情形下，該控制電路會控制該複數個紅外線發光二極體驅動器啟動該n個紅外線發光二極體之至少其一，其中當有複數個紅外線發光二極體被啟動時，所啟動之該複數個紅外線發光二極體會同時發光。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光感應式感測裝置，其中在該光感應式感測裝置應用於該物件位置感測操作的情形下，該n個紅外線發光二極體係排列於一二維平面上，以及該控制電路會控制該複數個紅外線發光二極體驅動器啟動該n個紅外線發光二極體，以致使所啟動之紅外線發光二極體會相繼地發光。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光感應式感測裝置，其中在該光感應式感測裝置應用於該手勢感測操作的情形下，該n個紅外線發光二極體係排列於一空間，該控制電路會控制該複數個紅外線發光二極體驅動器啟動該n個紅外線發光二極體以致使所啟動之紅外線發光二極體會相繼地發光，以及該紅外光感測器係根據各紅外線發光二極體之發光時間點來產生該第二偵測訊號。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光感應式感測裝置，其中該控制電路包含：一時序控制器，耦接於該複數個紅外線發光二極體驅動器，用以控制該複數個紅外線發光二極體驅動器啟動該n個紅外線發光二極體的時序序列。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光感應式感測裝置，其中該光感應式感測裝置另包含：一放大器，耦接於該可見光感測器、該紅外光感測器與該控制電路，用以根據一積分時間與一增益來將該第一偵測訊號與該第二偵測訊號之至少其一轉換為一電壓訊號，其中轉換前後的訊號放大係依據該積分時間與該增益來決定之；以及一類比數位轉換器，耦接於該放大器以及該控制電路，用以將該電壓訊號轉換為一數位訊號。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光感應式感測裝置，其中該光感應式感測裝置另包含：一自動增益控制電路，耦接於該放大器、該類比數位轉換器與該控制電路；其中該放大器係連同該自動增益控制電路來根據該積分時間與該增益將該第一偵測訊號與該第二偵測訊號之至少其一轉換為該電壓訊號。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光感應式感測裝置，其中該控制電路包含：一時序控制器，耦接於該自動增益控制電路，用以控制該自動增益控制電路的操作時序。
12. 如申請專利範圍第1項所述之光感應式感測裝置，其中該光感應式感測裝置另定義一門檻值，並只有在該第一偵測訊號或該第二偵測訊號超過所定義之該門檻值時，才會將一中斷指令傳送給一主機。